§ 2. Основные методы механики жидкости и газа. Области применения и главнейшие задачи
Для решения большинства своих задач гидроаэро- и газодинамика применяют строгие математические приемы интегрирования основных дифференциальных уравнений при установленной системе граничных и начальных условий или другие эквивалентные им математические методы (например, конформное отображение в задачах плоского движения идеальной жидкости). Для получения суммарных характеристик используются такие общие теоремы механики, как теорема количества и моментов количеств движения, энергии и др. Однако большая сложность и недостаточная изученность многих явлений вынуждают механику жидкости и газа не довольствоваться применением строгих методов теоретической механики и математической физики, столь характерных, например, для развития механики твердого тела, но и широко пользоваться услугами всевозможных эмпирических приемов и так называемых "полуэмпирических" теорий, в построении которых большую роль играют отдельные опытные факты. Такие отклонения от чисто дедуктивных методов классической "рациональной" механики естественны для столь бурно развивающейся науки, как современная механика жидкости и газа.
Даже в вопросах движения идеальной (без внутреннего трения) несжимаемой жидкости, где классическая теория давно уже дала совершенно строгую постановку задач и чрезвычайно глубокие и остроумные методы их решения, современная гидроаэродинамика, отвечая на неотложные запросы практики, применяет различные специфические приближенные приемы, в частности, например, электрогидроаэродинамические аналогии (ЭГДА), заменяющие вычисление скоростных полей в потоке Жидкости непосредственным замером разностей электрических потенциалов в электролитической ванне. Аналогичный метод применяется при изучении движения идеального сжимаемого газа при дозвуковых скоростях.
При решении конкретных практических задач широко используются графические и графоаналитические приемы (нелинейные задачи
газодинамики сверхзвуковых скоростей, обтекания систем тел — решеток крыльев и др.).
Невозможность и бесполезность точного удовлетворения сложных граничных и, по существу, случайных начальных условий, имеющих место при так называемом "турбулентном" движении жидкости, привели к замене строгой постановки задачи грубой моделью "осреднен-ного" движения с простыми элементарными законами силовых взаимодействий между слоями жидкости в этом "осредненном" движении. Такая грубая модель позволила, однако, уловить главную часть явления и привела к исключительно важным практическим результатам.
Но, что особенно отличает с методической стороны современную механику жидкости и газа от других разделов механики — это исключительное развитие экспериментальных методов исследования.
Гидроаэродинамический эксперимент прочно вошел в повседневную работу специальных лабораторий вузов, исследовательских институтов и заводов. Стало привычным изучать теоретически лишь простейшие схематизированные случаи движения жидкости или газа и обтекания тел, на этих теоретических расчетах выяснять принципиальную сущность явления, основные тенденции в развитии явления и Ьлияние важнейших факторов на это развитие, что же касается более сложных случаев, ближе подходящих к реальным условиям движения, то здесь на помощь приходит эксперимент, дающий искомые количественные закономерности. При этом теория учит, как ставить эксперимент, как проводить измерения и, что особенно важно, как обобщать результаты отдельных экспериментов на целые классы явлений (теория подобия гидроаэродинамических и тепловых явлений). В этом непрерывном взаимодействии теории и эксперимента — необычайная мощь современной механики жидкости и газа, причина ее блестящего развития как науки, тесно связанной с практическими запросами, с техникой.
Трудно сейчас указать отрасль техники, развитие которой не находилось бы в теснейшей связи с разрешением задач движения жидкости или газа. Не говоря уже об авиации и кораблестроении, основные проблемы которых — полет, устойчивость и управляемость самолета, ходкость, остойчивость и управляемость судна — неразрывно связаны с аэрогазодинамикой и гидродинамикой, а также смежных с авиацией отраслей техники, отметим особо важное значение гидроаэродинамики и газодинамики в турбостроении и, вообще, энергомашиностроении. Рабочее колесо гидротурбины, паровой и газовой турбин, компрессора или насоса представляет собою сложную конструкцию, состоящую из ряда профилированных лопаток, иногда имеющих тот же профиль, что и крыло самолета (компрессор, насос), иногда значительно отличающуюся от него по своей форме. При вращении рабочего колеса его лопатки обтекаются с большими относительными скоростями водой, газом или паром. От правильного гидроаэродинамического расчета формы профилей и общей конструкции рабочих колес зависит получение достаточной мощности машины, высокого ее
коэффициента полезного действия. Надо уметь также рассчитывать с гидроаэродинамической стороны и лопастные аппараты, направляющие водяной, воздушный или газовый поток на рабочие колеса, анализировать и улучшать другие элементы проточной части турбомашины, от гидроаэродинамического совершенства которых зависит ее высокое качество.
Гидротехника и гидрология все более и более сближаются с такими проблемами гидродинамики, как волновые и турбулентные движения жидкости, а также фильтрационные движения воды в грунтах. Последняя проблема представляет фундаментальное значение для строительства гидротехнических сооружений и техники добычи нефти. С вопросами этого рода граничат задачи подземной газификации и получения естественных газов из-под земли. Передача газа на большие расстояния по трубам выдвигает также ряд интересных задач перед газовой динамикой.
Весьма актуальные вопросы ставит перед гидроаэродинамикой химическая индустрия, которую интересует интенсификация процессов турбулентного перемешивания газов, движущихся по трубам и в специальных камерах, где производятся химические реакции. Металлургия выдвигает проблемы создания наиболее рациональных печей и других металлургических агрегатов; движение горячих газов в этих агрегатах заслуживает серьезного внимания аэродинамиков. Движение расплавленного металла, температура которого, а следовательно, и вязкость быстро меняются при растекании по формам, также нуждаются в гидродинамическом расчете, так как однородность и чистота металла по многом зависят от его движения при остывании. Аналогичная проблема стоит перед производством оптического стекла и многими другими.
Современная метеорология видит свой прочный научный фундамент в динамике атмосферы, изучающей турбулентное движение воздуха на поверхности Земли при наличии различных физических факторов (солнечная радиация, испарение и др.). К этим проблемам оказываются близки требования современной вентиляционной техники, озабоченной созданием наиболее гигиенических условий в промышленных предприятиях и жилищах.
